La sección de los conductores debe ser suficiente para transportar la potencia con cierta densidad de corriente, de manera que el calor Joule sea disipado alcanzándose en el conductor temperaturas moderadas.

En alguna medida este criterio fija una sección mínima del conductor, y un diámetro correspondiente.

Surge inmediata la conveniencia de aumentar la superficie de disipación utilizando conductores huecos, y esto se intentó, pero las líneas aéreas naturalmente se deben hacer con conductores llenos.

Otra idea que ayuda a aumentar la superficie de disipación es utilizando conductores en haz.

Cuando el transporte se hace a tensiones elevadas, el campo eléctrico en la superficie de los conductores comienza a ser dimensionante del diámetro de los mismos.

Aquí se hace evidente la conveniencia de utilizar conductores en haz (múltiples) separados convenientemente (15 a 20 veces su diámetro).

El haz de conductores equivale para el campo eléctrico a un solo conductor de diámetro relativamente grande, y para la conducción de corriente se observa, como dicho, una superficie de disipación mayor que con un conductor solo de igual sección total.

Normalmente los sistemas son trifásicos, las líneas muestran tres disposiciones básicas de los conductores:

coplanar horizontal

coplanar vertical

triángulo

La COPLANAR HORIZONTAL minimiza la altura, corresponde mayor ancho, y en consecuencia mayor faja de servidumbre; se utiliza en altas tensiones y grandes vanos (las torres bajas son solicitadas por menor momento y resultan de tamaños y pesos menores que con otras disposiciones.

Es el diseño natural en sistemas de circuito simple (simple terna), si se requiere doble se hacen dos líneas independientes.

COPLANAR VERTICAL, da máxima altura, se utiliza para corredores estrechos, y da por resultado torres mas altas, presenta entonces alto impacto visual.

Como ventaja permite circuitos dobles en una única torre, doble terna, debiendo considerarse atentamente que esto en rigor no es equivalente a dos líneas, ya que la probabilidad de que ambas ternas fallen es mayor que cuando se tienen estructuras independientes.

La disposición TRIANGULAR da alturas intermedias, los corredores son un poco mas anchos, las alturas algo menores que para el caso anterior.

En tensiones mas bajas (medias) con aisladores rígidos, la disposición es triángulo con base horizontal, en tensiones mayores también se observan disposiciones con base vertical.

La posición de los conductores respecto de la torre depende de los tipos de aisladores adoptados.

El punto de sujeción del conductor puede ser fijo (aislador rígido) o presentar algún grado de libertad (cadena de aisladores).

Las cadenas de aisladores se utilizan para grandes vanos y grandes esfuerzos.

Las cadenas de retención están dispuestas según el eje del conductor y su momento es insignificante.

Las cadenas simples de suspensión tienen un grado de libertad transversal al conductor, y giran libremente alrededor del punto de ataque a la torre.

Cuando es de interés impedir este movimiento se utilizan cadenas de suspensión en V, es importante notar que siempre ambas cadenas deben trabajar a tracción, por lo que la abertura de las cadenas (ángulo entre ellas) debe ser verificado (será mayor a mayor vano).

Las cadenas de suspensión V permiten reducir la faja de servidumbre en la disposición coplanar vertical, en cambio en la disposición coplanar horizontal (o triangular) la fase central con cadena V permite reducir la ventana de la torre, para las fases laterales la cadena en V incide en la menor servidumbre.

Las estructuras de una línea pueden ser clasificadas en relación a su función, la forma de resistir los esfuerzos, y los materiales constructivos.

Por su función las estructuras se clasifican en:

ESTRUCTURAS DE SUSPENSION, los conductores están suspendidos mediante cadenas de aisladores, que cuelgan de las ménsulas de las torres.

Resisten las cargas verticales de todos los conductores (también los cables de guardia), y la acción del viento transversal a la línea, tanto sobre conductores como sobre la misma torre.

No están diseñadas para soportar esfuerzos laterales debidos al tiro de los conductores, por eso se las llama también de alineamiento.

ESTRUCTURAS DE RETENCION, básicamente se distinguen tres tipos:

TERMINAL, la disposición de los conductores es perpendicular a las ménsulas, la torre se dimensional para soportar fundamentalmente el tiro de todos los conductores de un solo lado, y en general es la estructura mas pesada de la línea.

ANGULAR, se ubica en los vértices cuando hay cambio de dirección de la línea, la carga mas importante que soporta es la componente del tiro (debida al ángulo) de todos los conductores.

ROMPETRAMOS, algunas normas de cálculo sugieren el uso de estas estructuras con la finalidad básica de limitar la caída en cascada (dominó) de las estructuras de suspensión, y para facilitar el tendido cuando los tramos rectilíneos son muy largos. Cuando el diseño de las suspensiones se hace con criterio de evitar la caída en cascada (de acuerdo con las normas IEC) el uso de estructuras rompetramo se hace innecesario.

Respecto de los esfuerzos, puede decirse que las estructuras de la línea resisten en general tres tipos de esfuerzos en condiciones normales:

cargas verticales debidas al peso propio, conductores, aisladores.

cargas transversales debidas al viento sobre estructuras y conductores.

cargas longitudinales debidas al tiro de los conductores.

En condiciones excepcionales (rotura de un conductor, y en condiciones de montaje) la torre debe soportar esfuerzos de torsión.

De lo dicho se deduce que una torre se asimilará a una viga empotrada en el suelo, que debe calcularse para soportar pandeo y esfuerzos de flexotorsión.

Por la manera de resistir estos esfuerzos se las clasifica en estructuras autoportantes y arriendadas.

ESTRUCTURAS AUTOPORTANTES, que son verdaderas vigas empotradas en el suelo y que transmiten los esfuerzos a las fundaciones, pudiendo ser a su vez:

AUTOPORTANTES RIGIDAS, que se dimensionan para resistir los esfuerzos normales y excepcionales sin presentar deformaciones elásticas perceptibles, son estructuras pesadas, fabricadas en acero (reticulados) o en hormigón pórticos atirantados.

AUTOPORTANTES FLEXIBLES, resisten las cargas normales sin deformaciones perceptibles, y frente a sobrecargas presentan grandes deformaciones, los postes metálicos tubulares, y los pórticos no atirantados son ejemplos de este tipo de estructuras.

ESTRUCTURAS ARRIENDADAS, son estructuras flexibles que transmiten a la fundación casi exclusivamente esfuerzos verticales (peso) y los esfuerzos transversales y longitudinales son absorbidos por las riendas, son estructuras muy convenientes en zonas de grandes vientos.

Los materiales empleados usualmente para realizar la estructura son: madera, hormigón, acero y en zonas de difícil acceso en algunos casos se emplea el aluminio.

MADERA, lamentablemente poco empleada en nuestro país, debe cumplir las siguientes condiciones para ser utilizada:

resistencia mecánica a flexión.

resistencia a la intemperie

resistencia al ataque de hongos y microorganismos

Con los árboles normales de nuestro país, y los nuevos aisladores de materiales compuestos pueden realizarse líneas de 132 kV con vanos de 100 m, la madera utilizada en el país es el eucalipto.

A la madera convenientemente tratada se le puede asignar una vida útil de 20 años, o mas.

La línea con postes de madera es muy económica, de fácil montaje, y en consecuencia se puede hacer mas obra con un capital dado, extendiendo más los beneficios de la electrificación.

La fragilidad de la línea esta ampliamente compensada por la facilidad de montaje que frente a accidentes se traduce en facilidad de reposición, o reparación.

HORMIGON ARMADO, de amplio uso en nuestro país, se lo fabrica con técnicas de vibrado, centrifugado, pretensado.

Se lo utiliza en baja tensión, aunque no correspondería (a veces la mala economía no destaca la ventaja de la madera), desde media tensión hasta 132 kV es su campo natural de aplicación, cuando las cargas (secciones) son importantes, también se lo ha utilizado en forma de pórticos en líneas de 220 y 500 kV.

Como los componentes son muy pesados, el costo de transporte incide notablemente cuando las distancias desde la fábrica son importantes, y aun mas cuando hay dificultades de acceso a los piquetes.

En el montaje se debe cuidar no cargarlo en forma anormal, se requieren grúas para el manipuleo.

En la fabricación es muy importante el control de calidad tanto de los materiales, como del proceso, bien fabricado garantiza larga vida útil sin ningún mantenimiento.

ACERO, al carbono St 37 o St 52 en forma de perfiles normalizados permiten la fabricación seriada de piezas relativamente pequeñas, fácilmente transportables a cualquier punto para su montaje en el sitio en que se levanta la torre.

La forma constructiva permite un elevado grado de normalización en el proyecto, lográndose con muy pocos diseños satisfacer prácticamente todos los requerimientos de la traza de la línea (en particular se resuelve en modo excelente el problema que se presenta cuando hay estructuras de diferentes alturas).

La protección contra la oxidación se hace normalmente por cincado en caliente, que garantiza 20 o mas años libres de mantenimiento.

Salvo casos particulares en nuestro país se lo utiliza en líneas de 220 kV o mas.

Con acero en forma de tubos o con chapa de acero, doblada o cilindrada también se construyen torres, estas soportan cargas grandes y se observan en los puntos singulares de líneas de 132 kV de hormigón.

Algunos aspectos dimensionales de la línea ya han sido tratados, la flecha del conductor, la cadena de aisladores que permite cierto grado de libertad.

Al balancearse el conductor, por distintas razones varía la distancia entre este y masa o entre conductores, y en consecuencia la capacidad de soportar el espacio de aire, la tensión presente.

Ya es claro que la geometría de la torre esta condicionada por estos factores, que determinan el diseño que finalmente se adopta.

Debe considerarse que la aislación en aire puede ser sometida a ensayos, sin embargo el tamaño que asumen las construcciones que tratamos hacen que sea poco práctico intentar hacer la verificación de diseño de esta manera.

Solo los proyectos de avanzada en el mundo han sido encarados con ensayos, y en tal caso solo se probó un tipo de torre, haciendo importantes simplificaciones en el estudio.

Por otra parte, iniciados los ensayos de un diseño, y verificado que su prestación no es la deseada, ya por defecto como por exceso, debe plantearse la corrección a nivel teórico, para quizás luego repetir las pruebas pero con éxito garantizado.

En el primer diseño, el proyectista de la estructura necesita acertar en su concepción para superar el ensayo con ajustada holgura, se hace indispensable lograr definir espacios de aire que soporten las solicitaciones a que se somete la aislación teniendo en cuenta además varios otros factores que los ensayos no pueden considerar.

El estudio del comportamiento de los espacios en aire ha sido hecho por los distintos laboratorios del mundo y sus resultados se han volcado en normas y publicaciones.

La necesidad de contener el tamaño ha obligado a ir afinando criterios e introduciendo conceptos estadísticos con el objeto de lograr un diseño racional en la máxima medida posible.

Tanto el espacio en aire como el aislador deben soportar distintas solicitaciones que se resumen en las siguientes típicas:

tensión aplicada permanentemente

sobretensiones a frecuencia industrial

sobretensiones de maniobra

sobretensiones de tipo atmosférico

La adopción de cadenas de aisladores y distancias en aire (de aislacion) de líneas aéreas es entonces una acción fundamental para su dimensionamiento geométrico.

Por otra parte cadenas de aisladores (adoptadas) y distancias en aire (variables con las condiciones climáticas) definen el comportamiento de la línea frente a solicitaciones de la aislacion a frecuencia industrial, atmosférica y de maniobras.

Los espacios en aire, y las superficies aislantes tienen características de rigidez que cambian con la densidad del aire y las condiciones ambientales del lugar de implante de la línea

El objetivo de esta parte del capítulo es presentar el método de calculo para la determinación de los aislamientos de una línea aérea (cadena de aisladores y distancias en aire) con el fin de dimensionar el cabezal de la torre de manera que la línea tenga cierta "prestación", dependiendo esto ultimo de los riesgos de falla aceptados y asociados a cada tipo de solicitación.

El procedimiento de calculo consiste en :

* Determinar el numero de aisladores que tendrá la cadena, y las distancias en aire, según el índice de contaminación de la zona y la tensión máxima a frecuencia industrial aplicada.

* Verificación del aislamiento de la cadena adoptada y de las distancias en aire calculadas, a partir de especificaciones adoptadas (por ejemplo la norma VDE 0210) para las solicitaciones a frecuencia industrial, descargas atmosféricas y sobretensiones de maniobra (contemplando los factores de corrección que correspondan a altitud, lluvia, vientos, etc.). Esto significa que dado el valor de la tensión critica disruptiva (CFO) o tensión que tiene el 50% de probabilidad de ser soportada (V50%) en condiciones de referencia (altitud hasta 1000m, presión atmosférica, etc), se obtiene el valor de la misma corregido a las condiciones atmosféricas del punto de implante de la línea

* Obtenida la tensión critica de descarga con dichas correcciones se calcula la tensión soportada para el numero de aislamientos en paralelo que corresponda y la probabilidad de descarga que se pretenda. Finalmente con ella se determina el factor de sobretension capaz de ser soportado por el aislamiento, para cada tipo de solicitación, verificando que cumpla con los requerimientos deseados.

Ks: factor de sobretension expresado en pu.

* Determinado el factor de sobretension, si el mismo no cumple con los requerimientos de seguridad para cada tipo de solicitación se deberá redimensionar el aislamiento.

El predimensionamiento de las cadenas de aisladores para líneas trifasicas de alta tensión se basa fundamentalmente en relaciones empíricas consagradas por la practica y la experiencia de explotación de varias décadas en este rango de tensiones. En base a ello y a datos experimentales dados en normas y manuales técnicos para cadenas constituidas por aisladores de porcelana del tipo estándar en formación I, se obtiene:

Lógicamente esta es valida a nivel del mar, para localizaciones a mayores altitudes, los valores de diseño deben ajustarse para tener en cuenta la influencia que sobre la tensión de contorneo ejerce la disminución de la presión atmosférica media.

En este aspecto se puede aplicar a la longitud de la cadena de aisladores determinada por la Ec.(1) igual corrección que la recomendada para las distancias disruptivas en aire, por las normas usuales. Según la practica europea (por ej.: normas VDE y CEI) esta corrección será de la forma:

siendo: n(A): cantidad de aisladores para una cadena a la altitud A; A: altitud, en km sobre el nivel del mar.

De (1) y (2) se tiene finalmente:

A la frecuencia de servicio, la aislacion de la línea debe soportar todas las solicitaciones a las que se encuentre sometida sin que

existan descargas del conductor a la torre o riendas, ni contorneo de los aisladores.

La longitud total de la cadena, considerando la morseteria será:

Las distancias de aislacion deben cumplir condiciones frente a situaciones normales y excepcionales, condiciones permanentes y transitorias que son simuladas con ensayos.

La mínima distancia en aire entre el conductor y la torre, indicada por la VDE, para líneas que funcionan con centro de estrella ligado rígidamente a tierra, tanto para los conductores en reposo como desviados por el viento máximo es :

d: distancia mínima [m]; Un: tensión nominal [kV]. y si consideramos la corrección por altitud :

Existen expresiones similares fijadas por otras practicas pero que finalmente brindan resultados equivalentes.

En niveles inferiores a los 300 kV los criterios dimensionantes son la tensión de servicio (frecuencia industrial) y las sobretensiones

de origen atmosférico.

En ese sentido las distancias de aislacion en aire deben tener una tensión de cebado que exceda en al menos 3S el nivel básico de aislacion (NBA) al impulso de la cadena de aisladores.

La tensión de cebado de las distancias en aire será

Para niveles de tensión superiores a los 300 kV, los cabezales de torre son dimensionados por las sobretensiones de maniobra en lugar de las debidas a descargas atmosféricas .

La determinación de las distancias de aislacion, considerando las sobretensiones ocasionadas por maniobras se realizara por un método probabilistico, el cual se basa en obtener la "mínima" aislacion para una máxima solicitación, estadísticamente considerada.

Dada la distribución de sobretensiones, se determina un riesgo de falla que se acepte para el tipo de maniobra analizada y se obtiene un valor de "solicitación estadística" que debe ser comparado con la tensión critica (50%) de la aislacion.

El método de calculo adoptado es el propuesto por Hileman el cual plantea:

Em: Tensión de solicitación

V3: Tensión soportada por la aislacion.

siendo: V3 = CFO (1 - 3 sigma)

refiriendo a las condiciones ambientales el CFO tendremos:

RAD = 0.997 - 0.106 (A) ; donde A en km

n = 1.12 - 0.12 (d) ; d en m

Entonces si se elige: V3 = Em se obtiene:

-TCF: según el numero de torres

-VPCF: según el perfil de tensiones

-SCF: según la dispersión de la tensión disruptiva de la aislacion (ra/CFO)

Entonces:

(V3/E2): relación de tensiones en función del SSFOR y la desviación estándar de la solicitación; U2: tensión de la solicitación con el 2% de probabilidad de ser excedida

de [4] y [5] se obtiene:

La tensión critica disruptiva para sobretensiones de maniobra basada en la formula empírica de Gallet y Leroy es:

k: factor de forma de la distancia disruptiva; d: distancia de aislacion en metros

Finalmente, de las ecuaciones [6] y [7], se puede determinar en función del SSFOR la distancia de aislacion que le corresponde a

cada tipo de aislamiento. Es decir:

con CFO de la ec.[6].

La resolución de esta ecuación es iterativa, ya que el segundo miembro de la ec.[6] también depende de "d"

De esta manera se obtiene una distancia de aislacion asociada a un riesgo de falla para distintas configuraciones del aislamiento

La longitud efectiva de la cadena de aisladores debe exceder en un 5% esta distancia.

Las distancias de aislacion se deben mantener aun cuando el conductor se encuentra desviado un cierto ángulo bajo la acción del viento. Ya que las distancias de aislacion dependen del tipo de fenómeno que solicite al aislamiento, se deben indicar cuales serán las inclinaciones de la cadena para cada caso.

La norma VDE al respecto indica que para líneas de geometría variable, que posean conductores de diámetro superior a 16 mm, se debe considerar un empuje lateral por efecto del viento de 25 kg/m2 o de 30 kg/m2 para conductores cuyo diámetro es inferior a 16 mm.

Además para tener en cuenta torres que pueden estar en depresiones se debe incrementar el ángulo de calculo en 10 o 15 .

La expresión del ángulo de inclinación de la cadena, despreciando el efecto de esta es:

siendo: p: presión del viento [ kg/m^2 ]; D: diámetro del conductor [ m ] ; W: peso del conductor por unidad de longitud [ kg/m ]

Esto es lo indicado por la norma, pero deseamos verificar dicho resultado con las condiciones ambientales del lugar. Para ello estimaremos la distribución estadística de vientos, aproximada a la distribución de Weibull.

Adoptando como viento de diseño, para verificar el aislamiento a frecuencia industrial, aquel que posee un periodo de retorno de 50 anos, calculamos el ángulo de inclinación de la cadena de aisladores a través de la ecuación dada por Hileman REF [1].

con: D: diámetro del conductor [cm]; W: peso del conductor [kg/m]; V/H: relación vano vertical a vano horizontal; v: velocidad del viento [km/h]

Para el caso de las sobretensiones de origen atmosférico, el ángulo de inclinación que debe considerarse para la cadena de aisladores es el producido por el viento cuya velocidad tiene una probabilidad del 1% de ser excedida, es decir el viento de 100 horas

La distribución estadística de sobretensiones de maniobra es independiente de su simil correspondiente a los vientos.

De aquí que para el diseño no se adopte un viento máximo normal, sino un viento de referencia (o de diseño) al que corresponda un riesgo de falla similar al que se obtiene de la combinación de ambas distribuciones (ver REF[1]).

Empíricamente, Hileman ha encontrado que esta velocidad de diseño corresponde al 60 % de la velocidad con tiempo de retorno de 100 horas; con la cual se obtiene un riesgo de falla sensiblemente igual al obtenido cuando se considera la distribución estadística completa.

Hasta aquí se han obtenido las distancias mínimas de aislacion con respecto a las diferentes solicitaciones dieléctricas y la inclinación de la cadena de aisladores a considerar para cada una de ellas.

lp: longitud del péndulo que cumple la condición d2 > dmin

Por otro lado se debe calcular la separación entre el conductor y la ménsula inferior, de la misma figura se obtiene.

En caso que el ángulo a>B la mínima distancia a la ménsula inferior se obtiene cuando a = B.

Ref.1 - Hileman A.R. "Insulation coordination". Tutorial Course. Westinghouse Electric Corporation.

Ref.2 - Diesendorf W. "Insulation coordination in high voltage electric power systems" (libro). London Butterworths 1974.

Hasta el momento hemos considerado la influencia que la cadena de aisladores, y el espacio en aire que rodea al conductor tienen en la forma del cabezal de la torre, falta analizar la mejor ubicación de los cables de guardia, si presentes, y el comportamiento de la construcción frente a descargas atmosféricas cuyo valor en principio es independiente de los parámetros de la línea.

El proyecto de una línea de transmisión desde el punto de vista de las descargas atmosféricas involucra la determinación de los siguientes elementos:

distancias eléctricas

cantidad de aisladores

ángulo de blindaje

puesta a tierra

los cuales son ajustados de modo de determinar una tasa de salidas de servicio preestablecido en los criterios básicos de proyecto.

A medida que aumenta la tensión, las solicitaciones de origen atmosférico disminuyen su importancia para la determinación de las distancias, siendo la tasa de fallas inferior debido al aumento del nivel de aislación de las líneas de acuerdo a la siguiente tabla 41:

El efecto de una descarga atmosférica, cuando esta supera cierta magnitud, es iniciar un arco entre fases, o mas comúnmente entre fase y tierra, o a partes de la estructura a tierra. En la mayoría de los casos la tensión de línea es suficiente para mantener el arco iniciado, y este debe ser eliminado por la apertura del interruptor.

La incidencia de las descargas atmosféricas en los sistemas eléctricos se debe analizar en sus tres aspectos principales:

a) Falla de blindaje, se analiza la incidencia de la descarga directamente sobre el conductor. La ocurrencia de una falla de aislamiento depende principalmente de la intensidad de la descarga de la corriente del rayo, de la impedancia de onda de los conductores, aislamiento del sistema y del valor de la tensión de fase en el instante de la descarga.

b) Contorneo inverso: la descarga incide en la torre o el cable de guardia, pero se propaga a los conductores. Este estudio involucra una gran cantidad de parámetros de origen aleatorio (corriente del rayo, aislamiento del sistema, puesta a tierra de las torres, etc) y por esta razón se lo trata generalmente con métodos estadísticos.

c) Acoplamiento capacitivo: la descarga incide en las proximidades de la línea, y la sobretensión inducida es causa de una descarga.

Para líneas de mas de 69 kV la posibilidad de que ocurran fallas por esta razón se considera despreciable.

Una descarga atmosférica impactando directamente en el conductor de fase, desarrolla una elevada sobretensión, la que en la mayoría de los casos provocará la falla de aislación de la línea.

El 50% de los rayos supera los 30 kA, y por ejemplo un rayo de 30 kA impactando en un conductor de fase de una línea desarrollará una tensión de:

Habiendo supuesto la impedancia de onda de la línea de 400 ohm, el 2 tiene en cuenta que la línea se prolonga hacia ambos lados del impacto.

Obviamente líneas y equipamientos no pueden ser aislados para soportar sobretensiones de este orden. La alternativa es limitar las sobretensiones a valores inferiores. Esto se consigue utilizando cables de guarda de manera de blindar los equipamientos y circuitos contra descargas directas.

La base de este modelo es el establecimiento de una relación entre la intensidad de la corriente del rayo y la región de alcance del extremo de la descarga piloto (líder), la que permite establecer que un rayo en su trayectoria hacia la tierra tiene preferencia en alcanzar los objetos mas próximos.

Para la mayoría de las aplicaciones se acepta la siguiente relación simplificada:

siendo rs distancia de atracción en m; I0 corriente del rayo en kA

Esta relación entre la intensidad de la corriente y la distancia de atracción puede ser mejor comprendida si consideramos que campos eléctricos de gran intensidad se establecen alrededor de una línea de transmisión, debido a descargas desviadas por la descarga piloto en su progresión en dirección al suelo, provocando un movimiento ascendente de cargas que va en dirección a la punta de la descarga piloto.

Este movimiento ascendente de cargas puede desviar el rayo de su trayectoria inicial atrayéndolo hacia la tierra, el conductor o el cable de guarda.

De este modo se puede afirmar que el punto de impacto en la línea queda indefinido hasta que la descarga piloto alcance una determinada distancia sobre el suelo, ocurriendo entonces la orientación definitiva en función de las cargas ascendentes, para el punto de impacto suelo, conductor o cable de guarda.

Utilizando el concepto de distancia de atracción, el punto de incidencia seria aquel que primero se encontrara a esta distancia de la punta de la descarga piloto, cuando el rayo se mueve en dirección de la línea de transmisión.

Las distintas regiones AB, BC, y CD de la figura representan las áreas de exposición para los cables de guarda, el conductor, y el suelo respectivamente. Para cada valor de corriente del rayo la distancia de incidencia define una superficie ABCD para la cual todas las descargas que crucen el tramo BC terminarán en el conductor.

Para corrientes menores el área de exposición aumenta pero la sobretensión debida a la descarga se reduce, no debiendo ocasionar falla de la línea. Surge un criterio de dimensionamiento de la aislación de la línea, debe soportar una sobretensión de corriente correspondiente a la distancia de incidencia crítica a los conductores.

Modificando el ángulo de blindaje se modifica el valor de la máxima corriente que puede alcanzar al conductor. Es posible entonces ubicar los cables de guarda de manera tal que para una corriente máxima el conductor esté protegido naturalmente, y por debajo corrientes menores no puedan causar la descarga de la aislación.

En esta situación solo las descargas con intensidad de corriente inferior a la mínima necesaria para causar fallas podrán alcanzar el conductor.

La máxima distancia de incidencia relativa a la máxima corriente que ocasiona una falla en los conductores puede calcularse con la siguiente fórmula:

siendo: rmax máxima distancia de incidencia (distancia crítica) en m; h altura del cable de guarda; y altura del conductor; teta ángulo de protección

Se debe destacar que no siempre es posible un blindaje electromagnético completo de toda la línea según el dimensionamiento adecuado del ángulo de protección de los conductores.

Para líneas de alta tensión y extra alta tensión gran numero de descargas en el conductor no causarán la falla de la línea porque su aislación es suficiente para soportar las tensiones generadas por una descarga de pequeña amplitud.

Estas sobretensiones se propagan por la línea hasta la estación, donde en función de los cambios de impedancia y las discontinuidades (reactor, transformador, interruptor etc) pueden aparecer elevadas sobretensiones de reflexión.

La incidencia de una descarga atmosférica en los cables de guarda o en la torre de una línea de transmisión puede ocasionar su salida de servicio, debida al crecimiento de la tensión en el punto de Incidencia de la descarga.

A diferencia del impacto directo, la ocurrencia de fallas a consecuencia de este fenómeno difícilmente es eliminado. Sin embargo estos efectos pueden ser minimizados a través de la optimización de las puestas a tierra de las estructuras y del ajuste de los elementos del cabezal de la torre.

Cuando un rayo impacta una torre se establece un proceso de propagación de ondas de tensión y corriente en los cables de guarda, en las torres próximas y en los sistemas de puesta a tierra con reflexiones según las impedancias características involucradas.

La tensión resultante de la descarga atmosférica es el producto de la corriente del rayo por la impedancia de onda equivalente vista en este punto. Para la descarga en la torre, la impedancia equivalente es el paralelo de las impedancias de los cables de guarda (Zg) con el factor que corresponde a que los cables se alejan del punto en ambas direcciones (2), y la impedancia de onda de la torre (Zt).

Esta onda de tensión resultante esta modificada por reflexiones en la base de la torre y en las torres adyacentes.

La propagación de un impulso de tensión en los cables de guarda, induce en los conductores de fase ondas de tensión acopladas según la relación de capacitancias propias y mutuas entre cables de guarda y conductores. Las tensiones involucradas son de igual polaridad y K veces la tensión del cable de guarda. De esta manera la cadena de aisladores estará sometida a la diferencia de tensión entre la punta de la torre y al tensión inducida en el conductor.

Siendo K del orden de 0.15 a 0.30, la solicitación del aislamiento estará disminuida en forma importante por efecto del acoplamiento.

El coeficiente de reflexión de las ondas reflejadas en las torres adyacentes, también es negativo, pero el tiempo de propagación de la onda en el vano es del orden de 10 veces el tiempo de propagación en la torre, estas ondas reflejadas llegan a la torre donde se ha producido el impacto posteriormente a la presentación del máximo de tensión en el extremo de la torre.

La incidencia de la descarga en los cables de guarda presenta como característica básica una tensión en el punto de incidencia superior al caso del impacto en al torre (por la distinta impedancia).

La tensión resultante es:

Esta tensión tendrá valores mayores cuanto mayor sea la distancia del punto del impacto respecto a las torres, siendo para incidencia en el medio del vano máximo el crecimiento de la tensión.

Este hecho se entiende fácilmente si consideramos que la impedancia equivalente en el punto de impacto es superior al caso que impacte en la torre, y el efecto de las torres (ondas reflejadas negativas) solo se presenta después de pasado dos veces el tiempo de propagación a la torre mas cercana.

Asumiendo que no ocurren fallas en el medio del vano, la tensión VM viajará por los cables de guarda hacia las torres adyacentes donde será atenuada por las reflexiones. La torre es una discontinuidad para VM, en ella se producirán reflexiones y refracciones de las cuales una onda seguirá al próximo vano por el cable de guarda, y la otra se propagará por la torre drenándose finalmente al suelo.

La tensión en el extremo de la torre será:

siendo b el coeficiente de refracción: b = 2 Z / (Z + Zg)

siendo Z la impedancia equivalente del cable de guarda y la torre

resultando:

La tensión que en este caso solicita la cadena de aisladores será entonces:

Para las descargas que impactan en los cables de guarda las máximas solicitaciones que se imponen al aislamiento de la torre son del mismo orden de magnitud de aquellas que impactan directamente en la torre. De esta manera las descargas en el medio del vano pueden provocar fallas en la torre, mientras que no a lo largo del vano.

Una descarga atmosférica próxima a la línea, puede inducir una tensión que difícilmente excede los 500 kV. Líneas blindadas con cables de guarda, de tensión nominal superior a 69 kV generalmente tienen aislamiento suficiente para impedir la ocurrencia de descargas por esta causa.

Líneas de tensiones menores, con niveles de aislamiento substancialmente inferiores a 500 kV pueden fallar por sobretensiones inducidas. En la mayoría de los casos estas líneas no tienen cables de guarda y también están sujetas a fallar cada vez que sean alcanzadas por una descarga directa. En general las fallas por sobretensiones inducidas no son un problema mayor ya que el mínimo de fallas por descargas directas excede bastante las provocadas por sobretensiones inducidas.

Ary D'Ajuz, C. dos Santos Fonseca, y otros "TRANSITORIOS ELETRICOS E COORDENACAO DE ISOLAMENTO. APLICACAO EM SISTEMAS DE POTENCIA DE ALTA TANSAO" Furnas Universidad Federal Fluminense